1906. L'officier britannique Percy Fawcett, 39 ans, tireur et cavalier remarquable, accepte une mission que lui confie la Royal Geographical Society (RGS) : topographier une région inexplorée entre le Brésil et la Bolivie. Soutenu par son épouse Nina, et assisté des fidèles Henry Costin et Arthur Manley, Fawcett remonte le Rio Verde jusqu'à sa source, où il découvre quelques tessons de poterie et inscriptions rupestres apparemment fort anciens. Convaincu qu'il s'agit des traces d'une cité pré-incaïque qu'il baptise Z, il soutient à son retour à Londres sa théorie devant la RGS. Il se heurte au scepticisme de ses membres, peu enclins à revoir leurs préjugés sur les primitifs amazoniens, à l'exception d'un riche aventurier, James Murray, qui finance sa deuxième expédition et l'y accompagne. Mais, incapable de supporter les conditions de la jungle, Murray sabote la mission. Fawcett et ses hommes doivent rentrer. La guerre de 1914 vient d'éclater. Gazé lors d'un assaut dans la Somme où Manley a été tué, Fawcett est nommé lieutenant-colonel. Des années après, bien que retiré avec Nina et leurs enfants, il est toujours hanté par Z. Lorsque son fils aîné, Jack, qui avait pourtant souffert des absences de son père, lui propose de repartir ensemble à sa recherche, il n'hésite pas. Ils montent, en 1925, une expédition dont ils ne reviendront jamais. Forte du témoignage d'un Brésilien affirmant les avoir vus vivants, Nina attendra leur retour jusqu'à sa mort.